大尺寸CBGA高鉛焊接在溫度循環下焊點可靠性的研究

卜瑩　孫軼　馮倩

摘 要：大尺寸陶瓷封裝焊球陣列封裝（Ceramic Ball Grid Array，簡稱CBGA）器件，在使用過程中焊點容易產生裂紋，對大尺寸CBGA的可靠性以及焊接質量造成影響。為了更好地分析并解決此類問題，在特定情況下，從樣件的試驗狀態到大尺寸CBGA器件焊點產生裂紋的全過程進行了詳細闡述，并介紹了試驗驗證條件和焊接后焊點金相切片的情況。在此基礎上，給出了焊點可靠性降低的原因和器件使用建議。

關鍵詞：大尺寸CBGA器件；回流曲線；網板開孔

由于電子產品密度越來越高，體積越來越小、重量越來越輕等優勢越來越凸顯，預示著表面貼裝技術（Surface Mount Technology，簡稱SMT）的應用越來越廣泛，特別是安裝在航空、航天等對可靠性較高設備中的電子產品，對產品環境要求較高，對元件的可靠性要求非常高。近年出現的大尺寸CBGA由于其精度高、靈活性強、可靠性強、容易大規模集成、可獲得高性能指標等特點被廣泛應用于各種高速輸入/輸出計算領域中，深受設計者的青睞，但由于封裝尺寸較大，邊緣焊點到中心的距離較遠，同時陶瓷基板和 PCB板的熱膨脹系數CTE相差較大，導致大尺寸CBGA焊點失效概率較大。一旦失效，造成的經濟損失更慘重，因此焊點可靠性需要進一步研究。

1 大尺寸CBGA簡介

在BGA封裝系列中，按照封裝的不同，BGA可分為PBGA（塑料封裝）和CBGA（陶瓷封裝），CBGA的歷史最長，它的基板是多層陶瓷，金屬蓋板用密封焊料焊接在基板上，用以保護芯片、引線及焊盤。

CBGA的優點是氣密性好，抗濕氣性能高，因而封裝組件的長期可靠性高。大尺寸CBGA繼承了CBGA的所有優點，但缺點是由于陶瓷基板相對較重，PCB與芯片陶瓷基板熱膨脹不匹配，導致焊點應力，焊點容易出現裂縫。

2 試驗狀態

試驗所用PCB選用外形尺寸174mm×95mm，厚度為2mm的8層板。大尺寸CBGA器件選用焊球材料成分為Pb90Sn10，高鉛焊球直徑為0.76mm，焊球間距為1.27mm。

使用焊盤計算軟件，對大尺寸CBGA的高鉛焊盤進行計算，對應的印制板焊盤直徑設計為0.90mm。

試驗過程所需網板依據IPC-7095C《BGA設計和組裝工藝的實施》中網板的開孔尺寸的通用要求，寬厚比=W/T>1.5，面積比= L×W/2（L+W）T

>0.66，網板開孔寬度和厚度示意圖如圖1所示，錫膏體積滿足表1所示要求。

3 焊接過程

針對高鉛焊球焊接，印刷完成后的錫膏，使用50倍放大鏡檢查印刷結果，結果顯示錫膏印刷無漏印、橋連、少錫。樣件制作過程使用標準的SMT 設備和工藝將CBGA 封裝組裝到印制電路板上。

焊接過程按照IPC-7095C標準要求，在驗證樣板上對應芯片焊球處布置熱電偶，熱電偶布局實物圖如圖2所示，使用專用溫度測量工具對回流曲線進行了確認，回流曲線確認結果如圖3所示。

4 試驗過程

試驗過程中對大尺寸CBGA驗證板進行加電測試，溫度試驗條件為：溫度循環試驗條件：溫度循環范圍-55℃～100℃，溫變速率為10℃/min，極值溫度保持時間為15min，每個循環61min。溫度循環曲線如圖4所示。 在進行第237次溫度循環升溫加電測試時，大尺寸CBGA器件測試報故。光學檢測周邊焊點，顯示焊點靠近芯片焊盤側存在嚴重開裂，光學檢測裂紋照片如圖5所示。金相切片照片如圖6所示。至此，試驗終止。

5 結論

在高低溫溫度循環過程中熱膨脹引起變形量公式為：

ΔL=α×ΔT×L

其中，α為材料熱膨脹系數，ΔT為溫度變化，L為材料長度。

通過公式可得出：減小α、ΔT、L，可提高焊點可靠性。

通過上述試驗證明，在材料α不變的情況下，材料長度L增加、溫度變化嚴酷的情況下，降低了焊點可靠性，會加速大尺寸CBGA器件焊點出現裂紋。

大尺寸CBGA器件使用建議如下：

1）大尺寸CBGA器件的焊球設計，不適合在惡劣環境條件下使用；

2）增加基板熱膨脹系數：使用較高熱膨脹系數的HITEC基板；

3）增加大尺寸CBGA器件焊接高度，采用焊柱進行焊接。

參考文獻：

[1] 趙國玉.BGA焊接可靠性分析及工藝改進.兵工自動化，2010，3.

[2] IPC-7095C.BGA設計和組裝工藝的實施，2013.